Title: Modellierung und Optimierung energieträgerübergreifender Energiesysteme und die zukünftige Bedeutung der Speicher- und Kopplungstechnologien
Other Titles: Modeling and optimization of multi-energy systems and the future role of storage and coupling technologies
Language: Deutsch
Authors: Nemec-Begluk, Sabina 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Gawlik, Wolfgang 
Issue Date: 2020
Number of Pages: 327
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Die bestehenden Energiesysteme bzw. Energieinfrastrukturen der Strom-, Gas- und Wärmeversorgung sind durch den steigenden Anteil regenerativer Energieträger einem Wandel unterworfen. Besonders das Stromsystem erreicht mit zunehmenden Anteil der dargebotsabhängigen und volatilen Erzeugungscharakteristik sehr häufig seine betrieblichen Grenzen, was einen steigenden zeitlichen und räumlichen Ausgleichsbedarf im Stromsystem verursacht. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Arbeit untersucht, wie Speicher und Kopplungstechnologien den Ausbau regenerativer Energieträger und ihre Integration in die bestehenden Energiesysteme der österreichischen Strom-, Gas- und Wärmeversorgung unterstützen können. Über Speichertechnologien kann eine zeitliche Entkopplung zwischen Erzeugung und Verbrauch im jeweiligen Energiesystem erreicht werden. Über die Kopplung des Strom-, Gas- und Wärmesystems kann eine energieträgerübergreifende Flexibilisierung der drei Energiesysteme erzielt werden. Durch die Verlagerung bzw. Pufferung des nachhaltigen Stroms in das Gas- und Wärmesystem kann zum einen das Stromsystem entlastet werden und zum anderen der fossile Lastdeckungsanteil des Gas- und Wärmesystems über die Kopplung mit dem Stromsystem reduziert werden. Ziel dieser Arbeit ist es zu untersuchen, inwiefern ein von erneuerbaren Quellen dominierter Erzeugungsmix des österreichischen Strom- und Wärmesektors unter Einbezug von Speicher und Kopplungstechnologien in das gesamte Energiesystem der Strom-, Gas- und Wärmeversorgung integriert werden kann. Dazu werden potentielle Szenarien einer massiv ausgebauten regenerativen Strom- und Wärmeversorgung für das Jahr 2030 und 2050 herangezogen und analysiert. Der Kern der Arbeit liegt in der Erstellung eines energieträgerübergreifenden Energiesystemmodells für Österreich zur simultanen Untersuchung gekoppelter Strom-, Gas- und Wärmesysteme. Aufbauend auf einer Ausbau- und Betriebsplanung des Technologieparks des abgebildeten energieträgerübergreifenden Energiesystems wird die Rolle der Speicher- und Kopplungstechnologien zur Steigerung des regenerativen Erzeugungs/Last-Ausgleichs bzw. zur Minimierung der fossilen Strom- und Wärmeerzeugung bestimmt. Dafür werden die Gesamtsystemkosten zur Deckung des Strom- und Wärmebedarfs, die sich aus der Summe der variablen Erzeugungskosten und der annuitätischen Kosten der neuen Speicher- und Umwandlungstechnologien zusammensetzen, minimiert. Das österreichische Übertragungsnetz stellt die Systemgrenze des modellierten Stromsystems dar. Das Gas- sowie Wärmesystem werden auf regionalisierte Knotenpunkte bzw. Bilanzen reduziert und über Koppelmatrizen, die die entsprechenden Umwandlungstechnologien abbilden, mit Knoten anderer Energiesysteme gekoppelt. Die Topologie des energieträgerübergreifenden Energiesystems besteht aus Kraftwerken, Heizkraftwerken, Heizwerken, Feuerungsanlagen, Speicher- und Umwandlungstechnologien, und exogenen nachhaltigen Erzeugungs- und Verbrauchskomponenten, die den Knoten der gekoppelten Energiesysteme zugeordnet sind, sowie einem Übertragungsnetz des Stromsystems. Um langfristige als auch kurzfristige Ausgleichsanforderungen des regenerativ ausgebauten Strom- und Wärmesystems knoten- und anlagenscharf bestimmen zu können, wird für die Untersuchungen ein zweistufiger Berechnungsprozess, bestehend aus einer geschlossenen Jahresplanung und darauffolgender rollierender Betriebsplanung herangezogen. In der Arbeit werden zunächst Effekte einer massiven regenerativen Strom- und Wärmeerzeugung auf den Einsatz der bestehenden Anlagen bzw. Modellkomponententypen des abgebildeten energieträgerübergreifenden Energiesystems bestimmt. Dazu wird von den potentiellen Szenarien der Strom- und Wärmeversorgung für das Jahr 2030 ausgegangen. Darauf aufbauend wird im Rahmen weiterer Berechnungen der Einsatz der bestehenden Anlagen unter Einbezug von zusätzlichen Umwandlungs- und Speichertechnologien erneut abgeschätzt und ihr Einfluss auf die Nachhaltigkeit der Modellregion bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die bestehenden Pumpspeicherkraftwerke zzgl. der geplanten Ausbauprojekte den Ausgleich kurzzeitiger Leistungsschwankungen eines überwiegend regenerativen Stromsystems übernehmen können. In den lang andauernden zusammenhängenden Phasen vom Überschussstrom im Sommer und Defiziten im Winter schwingt die Residuallast eines regenerativen Stromsystems in zu großem Abstand von der Nulllinie und verhindert einen noch ausgeprägteren Einsatz von kurzzeitigen Ausgleichsoptionen. Demzufolge ist ein weiterer Ausbau an kurzzeitigen Speichertechnologien auf der übergeordneten Systemebene wirtschaftlich nicht sinnvoll. Eine bedeutende Reduktion des fossilen Lastdeckungsanteils kann nur durch Speicherung der regenerativen Stromüberschüsse in saisonale Speicher erreicht werden. Durch die Strom-zu-Wärme Kopplung über Wärmepumpen oder E-Kessel wird der Überschussstrom sehr effizient in das Wärmesystem verlagert. Dadurch wird der fossile Lastdeckungsanteil des Wärmesystems deutlich reduziert. Das Wärmesystem bietet hierfür keine saisonale Speicherung des Überschussstroms, jedoch eine zusätzliche Verwertungs- bzw. Verlagerungsmöglichkeit des Überschussstroms. Die Strom-zu-Gas Kopplung bietet gleichzeitig eine Option der Verlagerung und der saisonalen Speicherung des Überschussstroms und bewirkt dadurch Verbesserungen des fossilen Lastdeckungsanteils des Strom- sowie Wärmesystems. In dieser Hinsicht ist ein vollständiger Umwandlungsweg des Power-to-Gas-Konzepts bis zu Methan essenziell.

Due to the expansion of renewable energy sources, existing energy systems (electrical, natural gas and thermal) are confronted with structural and operational changes. Specifically, the electrical energy system reaches operational limits when a high share of weather-dependent and volatile electricity generation is included in the overall generation characteristic. As a result, temporal and spatial balancing requirements of the electrical energy system are increasingly elevating. Given those circumstances, the presented work investigates how storage and coupling technologies can support the expansion and integration of renewable energy sources into existing energy systems of the Austrian electricity, natural gas and heat sector.Storage technologies are used for a temporal decoupling of the generation and consumption. The coupling of electricity, natural gas and heating infrastructures enables multi-carrier flexibility of an entire energy system. Shifting or buffering the surplus electricity to the natural gas or thermal energy system relieves the electrical energy system on one hand and reduces the fossil load cover ratio of the coupled energy system on the other. This thesis aims to investigate to which extent a generation mix of the Austrian electricity and heat sector dominated by renewable energy sources can be integrated into the overall energy system of electricity, natural gas and heat supply, by using storage and coupling technologies. For this purpose, potential scenarios of a massively expanded renewable electricity and heat supply for 2030 and 2050 are investigated and analyzed. To answer the main question of this thesis a multi-carrier energy system model for an integrated investigation of coupled energy systems for Austria is developed. Based on an expansion and operational planning of the entire plant park of the modelled multi-carrier energy system the role of storage and coupling technologies to increase the regenerative generation/load balance or to minimize the fossil electricity and heat generation is determined. The objective function of the investigation is the coverage of the electrical and thermal residual load by maintaining minimal system costs. The sum of variable generation costs and annuity costs of new storage and conversion technologies is minimized over the entire model horizon. The Austrian transmission grid represents the system boundary of the electrical energy system. The natural gas and heat supply are reduced to regionalized energy-nodes or balancing nodes. They are coupled to nodes of the other two energy systems via coupling matrices that include corresponding coupling technologies between the energy systems. The topology of the modelled multi-carrier energy system consists of power plants, combined heat and power plants, heating plants, combustion plants, storage and conversion technologies, and exogenous sustainable generation and consumption model components, as well as of a transmission network of the electrical energy system. To include the long-term and short-term requirements for balancing the regenerative dominated multi-carrier energy system, a two-stage calculation process, consisting of a closed annual optimization and a subsequent rolling operational optimization, is applied. The developed model is applied to different scenarios of the investigated multi-carrier energy system. First of all, the effects of a massive extension of renewable energy sources in the Austrian electrical and heat sector on existing plant parks and other model components of the multi-carrier energy system are determined. For this purpose, a potential scenario of a regenerative electricity and heat production for 2030 is used. In addition to this investigation, operational planning of existing technologies of the multi-carrier energy system is reassessed in further optimization calculations by including additional conversion and storage technologies in the investigated topology of the multi-carrier energy system. Furthermore,the sustainability of the investigated multi-carrier energy system is calculated based on the optimization results of each scenario. The results show that pumped storage power plants are of great importance for balancing short-term regenerative power fluctuations in the transmission grid. However, in the long continuous contiguous phases of power surplus in summer and deficits in winter, the residual load oscillates too far from the zero line and prevents a more pronounced use of short-term compensation options. Therefore, a further expansion of short-term storage technologies on a higher system level is economically not feasible. A significant reduction of the fossil load cover ratio can just be achieved by storing the regenerative surplus electricity in a seasonal storage. The surplus electricity is efficiently shifted to the thermal energy system by utilizing power-to-heat coupling technologies like heat pumps or electric boilers. The power-to-heat coupling significantly reduces the fossil load cover ratio of the thermal energy system. The thermal energy system does not offer seasonal storage of the surplus electricity, but it does offer an additional possibility of utilizing or relocating the electrical energy. That contributes to further integration of renewable electricity in the overall energy system. In contrast to that, the power-to-gas coupling enables shifting and seasonal storing of surplus electricity which yields to a concurrent reduction of the fossil load cover ratio of the electricity and heat sector.
Keywords: Speichertechnologien; energieträgerübergreifendes Energiesystem; Kopplungstechnologien; regenerative Strom- und Wärmeerzeugung; Einsatzplanung und Ausbauplanung
Energy storage technologies; hybrid energy system; coupling technologies; renewable energy systems; operational and expansion planning
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2020.28887
http://hdl.handle.net/20.500.12708/15322
DOI: 10.34726/hss.2020.28887
Library ID: AC15730031
Organisation: E370 - Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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